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    《MACROMOL CHEM PHYS》紀念“高分子“概念誕生100周年:高分子科學的下一個100年
    2020-08-03  來源:高分子科技
    關鍵詞:高分子科學

      2020,注定是不平凡的一年。今年也是赫爾曼·斯托丁格發表第一篇關于聚合的文章100周年。正是Staudinger意識到高分子,是由共價鍵連接的長鏈組成的。自從這篇文章首次發表以來,高分子對社會產生了巨大的影響。幾乎無法想象,人類如果生活在沒有高分子合成的世界里,那將會是怎樣的一番景象?但是,高分子科學的未來會是怎樣的呢?這個問題值得深思,尤其是人類在享受高分子帶來便捷的同時,也面臨著塑料微粒無孔不入的威脅。下一個百年,高分子科學將會走向何方?本文由《 Macromolecular Chemistry and Physics》期刊的編輯和顧問委員會對這一問題進行了思考。


    1、背景介紹

      2020年,是高分子科學的一個重要里程碑:100年前,赫爾曼·斯托丁格發表了第一篇關于聚合的文章。Staudinger首次意識到高分子是由共價鍵連接的長鏈組成的。但,他最初的宣言遭到了懷疑和批評,并在科學領域引發了一場生動的科學爭論。正是斯托丁格堅持不懈并愿意從事科學推理,才使這一論述成為大分子和超分子科學多樣化領域的開端。從此,大分子和超分子科學蓬勃發展,并貢獻了改變生活的創新,至今仍影響著社會。


      從早期開始,Staudinger就認識到有專門的出版媒體,來刺激不斷增長的大分子研究社區內的科學交流的重要性。作為《實用化學期刊》的編輯,他于1940年正式擴展了該雜志的范圍,包括關于大分子化學的文章,并在期刊標題上加上副標題“考慮大分子化學”。 六年后,Staudinger創辦了《Die Makromolekulare Chemie》雜志,即現在的大分子化學和物理學,專門用于發表高分子科學領域的新見解。


      因此,大分子化學與物理咨詢委員會的編輯和成員們非常高興和榮幸地慶祝Staudinger發表第一篇關于聚合的論文100周年。


      高分子化學和物理學一直是高分子科學界友好而又充滿活力的家園,對新思想持開放態度,即使是那些引起公眾懷疑的思想,尤其是那些公開討論的思想。只有這樣一場知情的對話,才能為高分子科學領域以及人類的社會帶來新的方向,尤其是在高分子的廣泛使用日益受到質疑的時代,需要重新考慮已建立的應用,并進行相關必要的技術變革。為了慶祝成立100周年,高分子化學和物理學的編輯和顧問委員會成員決定分享他們對高分子科學未來的看法。


      編輯們將從科學價值和社會效益的觀點出發,通過問自己該領域未來最重要的話題來開始討論,最終確定了三個最重要的領域:新的性能和應用,新的合成方法以及可持續性。以上觀點代表了高分子科學的一個最近的趨勢:從僅僅是一個基本學科本身觸及到其他學科,即,這是一門真正的跨學科科學,涵蓋了從應用到社會需求的各個領域。“盡管如此”,Sebastian Seiffert補充說,高分子科學界應該意識到,在目前的跨學科合并過程中,不應該僅僅成為其他學科的輔助科學,而應該保留自己的基礎。換句話說,正如吳奇在2013年所表達:如果大多數高分子研究人員是被資金、流行、影響因子和出版物等因素驅使進入其他領域,那應該是令人擔憂的。


    2、新型合成方法

      高分子在自然界中無處不在:蛋白質、多糖和DNA都是大分子。實際上高分子從高分子技術的開始就為人所知,作為膠和樹脂的密封應用,它們作為材料的用途,外行稱之為塑料;但也有,以乳石的形式,例如,一種由牛奶蛋白制成的人造角狀材料。今天人類所知道和使用的高分子的合理發展,是由于100年前Staudinger理解大分子的本質及其合成的開創性工作才得以實現的。從單體小分子開始,把它們培育成大分子鏈已經成為高分子合成化學的標志。在很長一段時間里,高分子科學領域的研究都是基于這樣一種思想,即高分子對我們日常生活的影響可以通過開發更多更新的單體和聚合方法來實現。讓人意想不到的是,時至今日,絕大多數材料仍是由一小部分化學性質相當簡單的單體的高分子所主導的,如聚烯烴、聚酯、聚酰胺、乙烯高分子、苯乙烯高分子和丙烯酸高分子,而這些高分子幾乎和Staudinger的開創性研究一樣古老。通過對分子量、鏈拓撲、序列和高分子結構的更好控制,或簡單地通過改進定度(立體化學)來獲得優異的性能,所有這些都將分子設計與對熱、機械和其他重要性能的控制聯系起來。


      當然,高分子的合成也與其他兩個重要的課題緊密相連,即,開發生產具有更環保、更可持續工藝的高分子的新途徑,并開發具有先進應用所需新特性的高分子。但,真的這么簡單嗎?


      正如Nicola Tirelli指出的:尋找具有實際應用潛力的新型高分子,如聚乙烯、聚酰胺或聚乳酸,本身就是一項極具挑戰性的任務。如果考慮到現代社會用于管理創新的約束因素,這幾乎是不可能的。然而,與其專注于約束本身,還不如解決它們的基礎概念更可行,比如在產品中集成大量信息。


      因此,從合成的角度來看,高分子化學現在致力于將舊的單體聚合成具有新特性的高分子,以應對21世紀的所有挑戰。解決這個問題的關鍵是高分子化學提供的工具:實際的反應和對其機理的理解。Michael R. Buchmeiser認為,雖然人們傾向于認為現代合成高分子化學是一個成熟的領域,但只要看一下高分子合成化學的最新發展,就會發現事實并非如此。一個典型的例子就是:可控聚合領域,理想的聚合反應使人類能夠合成高度定義但在結構上更加復雜的大分子結構。Timothy E. Long指出該領域進一步發展:“這引發了對氮氧化合物介導聚合的初步研究,并推動了原子轉移自由基聚合和可逆加成斷裂鏈轉移(RAFT)聚合方法的發現, 在這里,單體的擴展庫可以適應定制的高分子序列和結構。此外,茂金屬催化劑的設計在20世紀90年代早期改變了高分子合成的文化,當時科學家天真地認為人類已經擁有了所有需要的高分子。但茂金屬催化劑的發現很快使學術界,尤其是商品高分子界確信,還有更多的大分子結構有待發現。”


      因此,尋找新的聚合方法仍然是高分子合成化學家的基本挑戰。Patrick Theato列舉了其中一些新的合成方法:包括精密合成、正交化學、新的聚合方法、動力學和數字材料設計。近年來,精密高分子合成取得了長足的發展,實現了對化學功能和立體選擇性的合成控制。多組分反應的使用使高分子合成的分子復雜度容易增加。聚合方法的數量也在穩步增加,同時精細的動力學研究使廣泛的學術和工業應用成為可能。在信息驅動的時代,合成的數字化變得越來越重要,將自動化的高分子合成提升到一個新的水平,特別是與機器學習算法相結合的時候。這將為新的合成方法的發展開辟道路。


      除了使用數字方法來驅動高分子合成外,能夠在大分子鏈本身內存儲數字數據的高分子也正在出現。這一關鍵特征正通過不斷改進的高分子合成方法變得越來越容易獲得,這些方法受到DNA或肽的自然精度的啟發,最終實現了單體在大分子鏈上完美序列定義的結合。Michael A. R. Meier說道:如果這樣的序列定義大分子有助于提高我們對高分子的基本理解,例如通過發展定量結構、性質/活性關系,就可以實現最高的分子精確度。Laura Hartmann繼續討論說道:有機會安裝高水平的結構控制和復雜性將幫助我們進一步彌合合成高分子和生物高分子之間的差距,并告訴我們哪里真正需要精確,它的缺乏可能確實是到目前為止的一個限制因素。高分子單鏈納米組裝領域的不斷發展和擴大,其靈感來自于模擬自然折疊的生物大分子,從而實現其三維有序組織相關的復雜功能。預計設計和控制(co)高分子的選擇性自折疊、組裝和分類將很快成為在功能區內建立具有特殊活動的球狀軟納米物體的主要工具。這種人工單鏈納米結構的應用目前還不太明顯;然而,在開發下一代納米技術方面的好處將是不可估量的。


      事實上,高分子合成與高分子表征和工程緊密相連,著重指出,與傳統的研究領域分離不同,高分子科學從一開始就本質上是一個跨學科領域。如今,尤其是在未來,高分子科學的這一跨學科領域發展得更加深入,例如,高分子的設計可以以可控的方式與生物系統相互作用,比如用作細胞和組織基質的高分子。可控/活性聚合,結合物理方法和新穎的納米3D打印方法,將必須開發使用高分子作為觸發的、動態的、自適應的細胞附著支架。因此,高分子科學的一個特別重點將是控制動態的超分子鍵,能夠適應、放松和反應周圍的細胞基質在分化期間的變化,從而為細胞生長提供合適的環境。


      因此,為了迎接未來的挑戰,高分子團體鼓勵未來的科學家共同參與解決已知和預見的問題。作為一門交叉學科,所有學科的優秀人才都被邀請參加這一高分子合成之旅。


    3、先進的性質和功能

      高分子科學的領域迅速擴展,從發展對(可控)合成和結構分析的基本理解和知識,到創造具有越來越先進的性能和功能的材料。事實上,對高分子研究人員來說,發現迄今為止未知的或難以接近的特征和功能,以及新的化學結構的高分子,是一個永恒的主題。此外,高分子性質的獨特性需要發現新的分析工具,能夠揭示高分子中常見的最復雜的粘彈性性質。


      時至今日,人類已經生活在一個無法想象沒有合成高分子的世界,或者更確切地說,它們已經深入到人類的生活中。正如Andreas Lendlein所說:實質上基于其提供特定要求功能的多功能性,高分子在消費品(如紡織品、化妝品、保健產品)、農業、包裝材料、膜或建筑/建筑材料中獲得廣泛成功。一般來說,社會不會為玻璃轉變溫度買單,但他們會為玻璃轉變溫度決定的應用性能買單,從附著力和表面性能到氣體阻隔性能,再到抗撕裂性能。當然,這對所有與應用程序相關的屬性都有效。


      正如編委會的報告強調的那樣,先進的性能和功能是正在進行和未來高分子研究的關鍵方面,應從以下三方面著手:1. 將高分子材料的性能和功能提高到一個更高的水平(即,更好的性能);2. 應用目前已知的高分子的性質和功能,探索其在新領域的應用,特別是高科技領域和潛在的生命空間,甚至是地球之外;3. 識別和創建傳統高分子沒有涵蓋的特性和功能,即,如一些極端或未知的性質和功能,或發現具有固有導電性的高分子。


      一般來說,如果沒有特殊的高分子概念和材料(例如用于微芯片技術的光阻劑),人類每天使用的很多高科技設備都不可能實現。這一趨勢仍將繼續:如高分子作為關鍵功能組件、包裝和散裝材料,應用到越來越數字化的日常生活(自動化、交通、智能住宅、智能城市,工業過程(4.0產業),產品安全,增強醫學等等)需要大量的低成本標簽和(無線)的交流;再如功能性高分子結構和系統將對個性化醫療產生重大影響,包括診斷、治療和醫療技術;再如有機激光、自旋電子學、傳感、計算以及治療診斷學和基因轉染等非傳統問題都需要足夠的高分子。與此同時,數字化將影響人類開發高分子,人工智能和機器學習將深深影響整個高分子科學的協議和框架。


      在發展高聚物的先進性能和功能的同時,也應該促進先進的分析儀器和表征方法的發展,以識別和監測這些性能和功能。Timothy E. Long說,高分子性質的測定將與未來的應用密切相關,其中高分子表征工具將可以定制,以更好地預測性能。而增材制造(3D打印)的最新進展催化了流變學和摩爾質量分析的復蘇,因為這些先進的制造平臺對高分子科學家提出了挑戰,要求他們設計未來的加工工具。雖然新興的3D打印技術確實需要高分子表征,但這也將人類帶回了新型高分子的合成。據估計,到2030年,10%的消費產品將通過3D打印得到。尤其是,可以設想通過3D激光光刻技術實現亞衍射打印的功能光阻劑,最終實現只打印納米寬的高分子陣列,這對電子器件制造具有巨大的影響。


      而這樣的精度不僅是對3D打印的設想,而是在微觀、納米和分子水平上對高分子的測量也需要進一步提高。Timothy E. Long說道,例如,納米尺度和微米尺度的孔隙度測量將加速能源生產和存儲方面的發現,孔隙度和運輸結合形態分析已經創造了前所未有的性能。新出現的制造平臺需要對分子結構、物理特性和形態發展進行實時評估,而原位測量工具的開發將繼續對高分子設計的未來至關重要。


      據此,引出了一個大膽的問題,設想未來的高分子能使哪些新技術成為可能?或者反過來問,人了認為需要什么樣的高分子來激發新技術?在高分子領域中,討論了預期高分子的功能起決定性作用的幾個新領域,如隨需應變(快速)生物降解、可編程性、可重塑性、自適應性和自愈性等功能。同時,高分子需要對各種刺激做出反應,不僅僅是光,還需要發展治療記憶并與刺激本身相互作用。


      因此,高分子刺激反應功能的一個未來特征當然是多刺激反應。以相關的、有意義的方式組裝多反應性將進一步拓展高分子的功能。其應用領域將不僅是診斷學、制藥和生物材料,還包括光電子學等。當考慮結合不同的功能,可得到例如,柔軟的機器人可以實現通過集成多種功能包括能源生產和收獲(如催化、運動、光伏、滲透),能源儲存(電池、機械存儲熱能),感官功能以及運動的能力, Andreas Lendlein指出。


      最后,人類將通過產生全新的高分子和材料來開發新的功能:“新型高級高分子材料將表現出傳統上只存在于材料空間(如金屬或陶瓷)的特性,這將通過將對有序/無序的控制(局部和全局)結合在納米/微結構的復雜高分子組合中來實現”,Miriam M. Unterlass說。例如,具有極端性能和功能的高分子或在極端環境下使用的高分子有望實現傳統高分子中不常見或從未見過的性能和功能。


      新一輪的火星之旅已經開始,這一次人類將面臨一個全新的事件,共同生活在另一個星球上的太空。生命的自我維持系統是必需的,高分子也應該加入這一挑戰,Jiayin Juan說道。


      高分子的功能將繼續進化,以反映和匹配每個技術時代的迫切需要。自動化、數字化、新的移動性概念、生物醫學的進步以及空間探索只是人類生活在這個快速發展時代的一些例子。 事實上,高分子第三個需要重點關注和對未來影響的主題——可持續性,人類需從高分子的合成和功能方面著手,以解決高分子研究的過去、現在和未來的問題。


    4、可持續性

      大分子科學和工程界已經向社會證明了提供可持續技術的能力,從用于生物降解和藥物傳遞的聚乳酸到最近用于食品包裝的無-雙酚-A-高分子。隨著社會不斷要求更可持續的解決方案,這種對可持續性的奉獻將繼續下去。例如,對改善農業、能源生產和消費以及獲得純凈水的新可持續技術的需求很大。因此,具有納米級形態的高分子膜可優化離子或水的選擇性運輸,具有刺激響應特性的包裝材料可觸發解聚作用,以及用于農業肥料輸送的更環保的高分子,這些都是未來研究的潛在方向。隨著全球人口接近100億,大分子科學和工程必須提供可持續的解決方案,以應對迅速出現的重大全球挑戰。


      公眾對氣候變化的認識,更普遍的是,可持續發展問題越來越明顯的后果,而可持續性的重要性已體現在日常生活的各個方面,當然也在材料科學與工程領域。及時采取行動,防止產品在整個生命周期中受到進一步的損害是必要的,需要重新考慮目前的高分子生產方法,評估其消耗量以及材料在使用結束時的命運。根據布倫特蘭報告《我們的共同未來》對可持續發展的定義,人類必須重新學習如何促進既滿足當前需要又不損害后代滿足其自身需要的能力的發展。這可能被認為是一項艱巨的任務,因為如果人類想要使我們的星球適于人類居住,同時也為新的學術發現和經濟成功提供巨大的機會,就不可避免地要采取嚴厲措施。最近在工業上取得成功的一個例子是引進從甘蔗中提取的生物聚乙烯。


      由于高分子無疑是化學工業的巨大產出,而且高分子也已經引起了重大的和日益增加的環境關注,發展可持續的高分子化學作為人類科學界的一項任務是非常值得考慮的。人類應該把可持續的高分子放在最優先的位置。


      事實上,高分子科學有望提供可持續的解決方案,以應對與氣候變化、能源、健康、生活質量、食品和清潔水相關的重大挑戰。高分子設計和高效合成需要技術創新,包括綠色合成路線和加工方法(低能耗、少有機溶劑、對環境影響小)。


      為了降低與高分子合成、使用和生命周期后沉積相關的環境成本和破壞,需要在可持續高分子生命周期領域進行關鍵創新。更明顯的是對生命終結的考慮,包括通過(化學或物理)回收或焚燒填埋到(生物)降解。Jiayin Yuan說,由于土壤和海洋中的微塑料問題,生物降解高分子從未像現在這樣受到重視。然而,盡管生物降解可能能夠減少環境中的微塑料,但需要根據其對環境的影響仔細評價降解產物。同樣重要的是,生物降解與循環利用(即使作為能源)需要微妙的平衡。


      可再生能源用于聚合材料的合成有待進一步發展,至少在原則上,可提供碳平衡替代目前使用的和石油衍生的塑料材料的潛力。一個當前的例子是關于木材作為天然資源提供纖維素,半纖維素,木質素,萜烯和脂肪酸作為多功能高分子化學原料的討論。討論了在全球范圍內恢復森林用地的問題,以顯示在捕獲大氣碳和以這種方式減輕氣候變化方面的巨大潛力。


      如前所述,高分子在消費品中的巨大成功實質上是基于其提供特定要求功能的多功能性。這一優勢也決定了它們在可持續性方面的未來潛力。Brent S. Sumerlin反思道:在很多方面,具有諷刺意味的是,今天的高分子科學家面臨的許多可持續發展的挑戰,都來自于昨天的高分子科學家把他們的工作做得太好了。前輩們開發出了創新的材料路線,但這些材料可能過于堅固、耐用,而且來自于過于廉價的資源。在下一個世紀,高分子的主要責任之一就是通過創造性的化學繼續創新,同時不忘記過去的教訓。


      可持續高分子化學的成功將在很大程度上依賴于該領域的進一步的科學進步,但更依賴于社會的意愿,以使其變得更好。


    5、結論

      在此,文章中討論了高分子科學的未來,也看了認了現在所處的位置和目前面臨的挑戰。高分子科學一直需要各種能力,從綜合到物理、工程和理論,從物理到生物和醫藥特性,以及從基礎到應用主題。在真正體現了高分子科學貢獻的巨大帶寬的同時,與這一日益增加的跨學科性相關的一個最近的挑戰是,越來越多的與高分子相關的主題出現在新的科學期刊上,但不是與高分子領域直接相關,這很容易導致稀釋效應,降低對高分子科學作為一個領域貢獻的認可。研究者指出,作為一個高分子科學社區,需要應對這一挑戰,并找到彌補這種不對稱的機制。


      除了學科間的交叉之外,高分子界長期以來因其連接學術界和工業界而聞名,甚至受到其他化學學會的羨慕。但研究者指出,這種雙方之間的長期協議是否仍然存在,但他們堅信,基礎研究永遠可以成為工業的主要刺激因素。


      同時,研究者說道,一個沒有高分子的未來世界是不可想象的。它們能改變:例如,隔熱,纖維和服裝,流動性,建筑材料、微電子學、綠色能源、土壤肥力,食品包裝安全,尋找新的抗生素,再生醫學,基于噴墨的分散制造,用于風車的輕質復合材料和流動性,外太空探索,而只是從一個純粹的無盡的列表中列舉的幾例。


      令人欣慰的是,載體高分子科學從早期的Staudinger的假設到目前的蓬勃發展,工業高度相關,使之成為可能的領域是沒有間斷的。然而,人類有責任繼續塑造高分子科學的未來。研究者相信,這種堅韌和熱情對于解決上述當前和未來的挑戰,培育高分子的新領域,并讓其在下個世紀繼續蓬勃發展是十分必要的。


      參考鏈接:Abd‐El‐Aziz, A. S., Antonietti, M., Barner‐Kowollik, C., Binder, W. H., B?ker, A., Boyer, C., Buchmeiser, M. R., Cheng, S. Z. D., D’Agosto, F., Floudas, G., Frey, H., Galli, G., Genzer, J., Hartmann, L., Hoogenboom, * R., Ishizone, T., Kaplan, D. L., Leclerc, M., Lendlein, A., Liu, B., Long, T. E., Ludwigs, S., Lutz, J.‐F., Matyjaszewski, K., Meier, M. A. R., Müllen, * K., Müllner, M., Rieger, B., Russell, T. P., Savin, D. A., Schlüter, A. D., Schubert, U. S., Seiffert, S., Severing, K., Soares, J. B. P., Staffilani, M., Sumerlin, * B. S., Sun, Y., Tang, B. Z., Tang, C., Théato, P., Tirelli, N., Tsui, O. K. C., Unterlass, M. M., Vana, P., Voit, B., Vyazovkin, S., Weder, C., Wiesner, U., Wong, W.‐Y., Wu, C., Yagci, Y., Yuan, J., Zhang 2000216, G., The Next 100 Years of Polymer Science. Macromol. Chem. Phys. 2020, 2000216. https://doi.org/10.1002/macp.202000216


      原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/macp.202000216?from=timeline


      下載:高分子科學的下一個100年

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